分子束外延（MBE）
在超高真空中，用分子束一次一个原子层地生长晶体
分子束外延（MBE）一次一层原子地生长晶体。在比国际空间站飞行的太空还空的真空中，小炉子把纯元素的束流射向热的晶圆，原子落在它的晶格上。它能做出许多激光器和高频芯片内部的超薄层。
工作原理
抽真空。 晶圆通过进样室（小型气闸）进入，所以主腔从不接触空气。泵和冷屏（用液氮冷却、可捕集杂散气体的表面）维持超高真空，约 10⁻¹⁰ Torr：大约是正常气压的十万亿分之一。
加热并清洁晶圆。 晶圆正面朝下，放在加热的、缓慢旋转的托架上。加热赶走它表面薄薄的氧化皮，留下原子级洁净的晶体表面。
加热源炉。 束源炉（小炉子，也叫克努森炉）里装有镓、铝和砷等超高纯度元素。精确加热后，每一个都会放出稳定的原子流。
打开挡板。 在这样的真空中，原子沿直线飞行，不会碰到任何东西，就像在真空中喷漆。每个源炉都有一个挡板，能在不到一秒的时间内打开或关闭，从而切换材料的通断。
逐层构建晶体。 落在热晶圆上的原子先短暂地移动，然后锁定位置，复制下方的晶格；这种复制就是外延的含义。生长速度约为每秒一个原子层，大约每小时一微米。
实时数层。 RHEED（反射高能电子衍射）让电子束掠过表面，照到发光的荧光屏上。图案的亮度每完成一个原子层就脉动一次，所以操作人员可以在生长时数层数。
关键数据
- 材料
- 化合物半导体，如砷化镓（GaAs）、砷化铝镓和磷化铟；也有硅锗、氧化物和新型二维材料
- 典型零件
- 带有晶体叠层的晶圆，有些层只有几个原子厚，用于激光器和晶体管
- 零件尺寸
- 晶圆通常直径 50–150 mm；层厚从一个原子（约 0.3 nm）到几微米
- 精度
- 厚度可控制到单个原子层，材料之间的界面非常陡峭
- 表面质量
- 镜面光滑，原子级平整
- 适合的批量
- 研究和高价值生产；生产型设备每次生长少量晶圆
- 模具与设备成本
- 无需专用工装；一套系统通常从几十万到几百万美元
- 速度
- 每秒约一个原子层（大约每小时 1 µm）；完整的器件叠层需要几个小时
优点与局限
优点
- 厚度和成分的原子层级控制
- 材料极其纯净，界面陡峭
- 可用 RHEED 实时监测
- 能做量子阱、量子点和全新的材料
局限
- 生长非常慢
- 超高真空意味着抽真空、烘烤除气和维护都要很长时间
- 设备和超高纯源材料都很昂贵
- 产量低于 MOCVD（金属有机化学气相沉积），后者是用于批量生产的气相方法
应用领域
- 光子学激光二极管、VCSEL（用于人脸识别和数据链路的微型激光器）、量子级联激光器
- 通信与无线电用于 5G、卫星和雷达的高频晶体管（HEMT）
- 光电子学红外探测器、光电二极管
- 量子技术量子点、量子比特材料
- 研究新材料、二维晶体、氧化物层
如何识别
- 你看不见它。MBE 层只有几个原子到几微米厚，埋在比米粒还小的芯片里面。只有电子显微镜才能显示出层层叠起的原子排。
- 它藏在哪里。手机人脸识别传感器里的激光器、光纤发射器和卫星射频放大器都依赖外延层叠，这些叠层由 MBE 或它基于气体的近亲 MOCVD 生长而成。从外表看不出是哪一种。
- 一片成品晶圆看上去就像一面普通的镜子；看不出里面有几十层。
- 在实验室照片里，要找一个闪亮的钢制腔体，上面有许多接口，源炉朝上指向中心，还有一块发光的 RHEED 荧光屏。
对比
观看
Dr. Rahat Batool · 原理：超高真空、束源炉、挡板和加热的晶圆
AVS - Science and Technology of Materials, Interfaces, and Processing · 专家讲座：一个原子一个原子地生长材料能带来什么
UoM_EEE · 参观大学实验室里的真实 MBE 设备
Anthony Aiello · 生长过程中录制的实时 RHEED 图案
查看实拍照片
- 维基百科：分子束外延 — 原理、设备和历史；照片很少，请用下面的 Commons
- 维基共享资源图片搜索
记住
- MBE 在超高真空中把纯原子束射向热晶圆。
- 新层复制晶圆的晶格，一次一个原子层。
- 它又慢又贵，但能把各层控制到单个原子。
